1、第三章 電感式傳感器）（互感）（自感）、位移、流量、振動）IUMLx(種類 定義螺管式變氣隙式互感式電渦流式變截面式螺管式變氣隙式自感式電感式傳感器 優(yōu)點： 電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單, 工作可靠, 測量精度高(0.1%), 零點穩(wěn)定, 分辨率高（0.1um）,輸出功率較大等。 缺點： 靈敏度、線性度和測量范圍相互制約, 傳感器自身頻率響應(yīng)低, 不適用于快速動態(tài)測量。 這種傳感器能實現(xiàn)信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制, 在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中被廣泛采用。優(yōu)缺點：第一節(jié) 工作原理 一、自感式傳感器工作原理1線圈自感2/mLNR線圈匝數(shù)磁路總磁阻對于變隙式傳感器, 因為氣隙很小, 所以可以認為氣隙中

2、的磁場是均勻的。若忽略磁路磁損, 則磁路總磁阻為02imiiLRSS 式中: 各段導磁體 的長度; i各段導磁體的導磁率; Si鐵芯材料的截面積; 氣隙的厚度 0空氣的導磁率; S空氣隙的截面積;iL3312111122001112222,imiiii ilLLRsSSSSlSlS總磁阻分別為氣隙的磁導率、氣隙厚度和截面積。分別為鐵心的磁導率、長度和截面積。分別為銜鐵的磁導率、長度和截面積。202/iiiLLNSS可得鐵心的結(jié)構(gòu)和材料確定后，上式分母第一項為常數(shù)，此時，自感是氣隙厚度和氣隙截面積的函數(shù)。（螺管式電感傳感器建立在磁路磁阻隨著銜鐵插入深度不同而變化的基礎(chǔ)上）LRxnimi1 二、互

3、感式傳感器（差動變壓器式傳感器）工作原理二、互感式傳感器（差動變壓器式傳感器）工作原理 把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的, 并且次級繞組都用差動形式連接, 故稱差動變壓器式傳感器。 差動變壓器結(jié)構(gòu)形式較多, 有變隙式、 變面積式和螺線管式等, 但其工作原理基本一樣。非電量測量中, 應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器, 它可以測量1100mm范圍內(nèi)的機械位移, 并具有測量精度高, 靈敏度高, 結(jié)構(gòu)簡單, 性能可靠等優(yōu)點。 原理原理 傳感器工作時，被測量的變化將使磁心產(chǎn)生位移，引起磁鏈和互感系數(shù)的變化，最終使輸出電壓變化。設(shè)磁芯上繞

4、制線圈N1，N2，線圈N1通入電流I1，在線圈N1中產(chǎn)生磁通 ，部分磁通 通過N2 ，在線圈N2中產(chǎn)生互感電動勢e1112dtIMddtNddtdE/ )(/112212再設(shè)tjeII11.011/()UEj MU Rj L 輸出電壓：輸出電壓有效值22011/()UMURL則1IMjEtjeIjdtId11/又因為)/(111LjRUI第二節(jié) 電感計算及特性分析（一）自感計算及特性分析1.氣隙式自感傳感器氣隙式自感傳感器它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導磁材料如硅鋼片制成, 在鐵芯和銜鐵之間有氣隙, 氣隙厚度為, 傳感器的運動部分與銜鐵相連?？纱_定測出xLZLRxm)(202NS

5、L為折合氣隙2/ )/(0iiiSlS由上式可知L與 的關(guān)系為雙曲線。設(shè)初始值分別為 與L0（1）氣隙減小 自感增加001L則)11()()(22/)(2/0000000020020021LLSNSNSNL由 和 的關(guān)系可知，L與 的關(guān)系是非線性的。展開得L001 LL.)()(1 200001LL忽略高次項得（2）氣隙增加 自感減小0L)11()()(22/)(2/0000000020020022LLSNSNSNL按級數(shù)展開得.)()(1 200002LL同樣忽略高次項得002 LL可見，在不考慮非線性誤差的情況下氣隙增加和減小時，電感的變化量相同的。令 ，則 0 x0LLy)1/(xxy（

6、3）特性分析即00 LL0001LLK此時，傳感器的靈敏度為 氣隙型自感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾, 所以變隙式電感式傳感器用于測量微小位移時是比較精確的。為了減小非線性誤差, 提高靈敏度，實際測量中廣泛采用差動變氣隙式電感傳感器。 非線性誤差為0)1/(xxy顯然用y = x 代替誤差較大，用代替產(chǎn)生的誤差較小。要求，在最大量程xM處產(chǎn)生的誤差和x1處產(chǎn)生得誤差相等。即xy)1 (Myy10 xxxy)1 (1下面求解x1和 及xM：因為則根據(jù)0| )1 ()1 (112xxxdxyd得1/111x4/21y進一步求解得因為要求Myy1所以有4/)1 (12MMMMxxxy得 1

7、)1/()2(2MMMxxx上式表明，在確定傳感器測量量程后，即可確定線性化直線中系數(shù) ?；蚋鶕?jù) 的值，則可以確定傳感器的量程。也可以找出x1點的位置。其非線性誤差為)1 ()1 ()1 (/MMMMMMMxxxxxyy)41431 (2223)1/()2(223)1(1)1/()2(211222MMMMMMMMMMMMMMxxxxxxxxxxxxxx即忽略高次項求解得223Mx由上式可知，根據(jù)給定得測量量程可以確定其非線性誤差，也可以根據(jù)其 給定得非線性誤差大小確定測量量程得大小。 2 、差動自感傳感器、差動自感傳感器差動式的與單線圈的相比，有下列優(yōu)點：線性好；靈敏度提高一倍，即銜鐵位移相同

8、時輸出信號大一倍；溫度變化、電源被動、外界干擾等對傳感器精度的影響，由于能相互抵消而減小，電磁吸力對測力變化的影響也由于能相互抵消而減小。（1）結(jié)構(gòu) 差動氣隙式電感傳感器由兩個相同的電感線圈、和磁路組成, 測量時, 銜鐵通過導桿與被測位移量相連, 當被測體上下移動時, 導桿帶動銜鐵也以相同的位移上下移動, 使兩個磁回路中磁阻發(fā)生大小相等, 方向相反的變化, 導致一個線圈的電感量增加, 另一個線圈的電感量減小, 形成差動形式。氣隙型差動傳感器截面型差動傳感器差動電感傳感器原理圖 1212121210121212201012121220000LLZZIIILLZZIIILLZZIII 銜鐵處于中間

9、位置銜鐵上移銜鐵下移（2）原理 兩個電感線圈分別接在交流電橋相臨橋臂上，另外兩個橋臂為變壓器副邊。變壓器原邊加激勵e1，副邊感應(yīng)電壓為e21、 e22。 此電路輸入輸出為交流電，只能判斷位移大小，無法判斷位移方向，若能辨向需加相敏整流電路。（3）差動電感傳感器靈敏度）差動電感傳感器靈敏度.)()()(1 302000101LLLL銜鐵上移42002130200020212.)()()(1 LLLLLLLL差動輸出結(jié)論：結(jié)論：差動式為簡單式電感傳感器靈敏度的差動式為簡單式電感傳感器靈敏度的2倍。非倍。非線性誤差也得到了減小。線性誤差也得到了減小。0002LLK002LL忽略高次項得則傳感器靈敏度

10、為非線性誤差為23、差動螺管型自感傳感器、差動螺管型自感傳感器兩線圈裝在圓筒形鐵心(又稱磁筒)2中，上下兩端各有圓蓋1和4，線圈中置入圓柱形銜鐵(又稱磁芯)3。工作時磁芯將改變它在線圈中的上下位置，也就改變了線圈的自感量。3000001/(6/)3ZsttLLLLtt三種類型比較三種類型比較：氣隙型自感傳感器靈敏度高，它的主要缺點是：非線性嚴重，為了限制線性誤差，示值范圍只能較??；它的自由行程小，因為銜鐵在運動方向上受鐵心限制，制造裝配困難。截面型自感傳感器靈敏度較低，截面型的優(yōu)點是具有較好的線性，因而示但范圍可取大些。螺管型自感傳感器的靈敏度比截而型的更低，但示值范圍大，線性也較好，得到廣泛

11、應(yīng)用。（二）互感計算及特性分析（二）互感計算及特性分析差動變壓器結(jié)構(gòu)形式較多, 有變隙式、變面積式和螺線管式等, 但其工作原理基本一樣。差動變壓器線圈的各種排列形式 一次線圈加交流激勵，兩個二次線圈對稱差動連接。被測量帶動銜鐵上下移動。它由初級線圈, 兩個次級線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。 差動變壓器為開磁路，差動變壓器為開磁路，一次與二次線圈之間的一次與二次線圈之間的互感隨著銜鐵的位移而互感隨著銜鐵的位移而變化。變化。差動變壓器等效電路圖特性分析特性分析 根據(jù)差動變壓器等效電路，當次級開路時一次線圈 111UIrj L二次線圈由于互感產(chǎn)生互感電動勢為空載輸出電壓為1220211()a

12、bjMMUUEErj L .12aaEj M I .21bbEj M I 輸出電壓的有效值為1202211()()MM UUrL(1) 活動銜鐵處于中間位置時 M1=M2=M U2=0(2) 活動銜鐵向上移動時 M1=M+M M2=MM00222112,()aMUUU ErL同相。下面分三種情況進行分析。(3) 活動銜鐵向下移動時M1=M M M2=M+M100222112,()aMUUUErL與反向。第三節(jié) 轉(zhuǎn)換電路和傳感器的靈敏度 傳感器實現(xiàn)了把被測量轉(zhuǎn)變?yōu)樽愿泻突ジ辛康淖兓?，如何將電感值隨外作用的變化轉(zhuǎn)換成可用的電信號，這是本節(jié)研究的內(nèi)容。原則上講可將自感的變化轉(zhuǎn)換成電壓（電流）的幅值、

13、頻率、相位的變化，它們分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相電路。 如何將電感值隨外作用的變化轉(zhuǎn)換成可用的電信號，這是本節(jié)研究的內(nèi)容。 差動變壓器的三種轉(zhuǎn)換電路差動變壓器的三種轉(zhuǎn)換電路 1. 變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋測量電路如圖所示, 電橋兩臂Z1、 Z2為傳感器線圈阻抗, 另外兩橋臂為交流變壓器次級線圈的 1/2 阻抗。當負載阻抗為無窮大時, 橋路輸出電壓1120121222Z UZZUUUZZZZ 當傳感器的銜鐵處于中間位置, 即Z1= Z2=Z時有=0, 電橋平衡。 0U當傳感器銜鐵上移時, 即Z1=Z+Z, Z2=Z-Z, 此時022UZULUZL 當傳感器銜鐵下移時, 則Z

14、1=ZZ, Z2=Z+Z 此時從以上兩式可知, 銜鐵上下移動相同距離時, 輸出電壓的大小相等, 但方向相反, 由于 是交流電壓, 輸出指示無法判斷位移方向, 必須配合相敏檢波電路來解決。 022UZULUZL 0U實際應(yīng)用中，電感式傳感器的阻抗變化Z為純損耗電阻變化R及感抗變化L ，則LjRZ22222222222)()()(221)(221LRLLRRZLRLLRRLLRLRLRRLLZRRZdZ即幅值為22)( LRZ求其全微分電感線圈品質(zhì)因數(shù)QRL/因此，輸出電壓為)1()/11 (2)()1 (2)()()(222222222220LLRRQQuLLQRRQuLLLRLRRLRRuU若

15、 非常小時，可以忽略，則RR/LLQuU)/11 (220如果，傳感器設(shè)計成 ，或Q值較大，則LLRR/LLuU202. 諧振式測量電路諧振式測量電路定頻調(diào)幅電路定頻調(diào)幅電路 在調(diào)幅電路中, 傳感器電感L與電容C, 變壓器原邊串聯(lián)在一起, 接入交流電源, 變壓器副邊將有電壓 輸出, 輸出電壓的頻率與電源頻率相同, 而幅值隨著電感L而變化, 圖 （b）所示為輸出電壓 與電感L的關(guān)系曲線, 其中L0為諧振點的電感值,串聯(lián)諧振時，串聯(lián)諧振時，LC輸出阻抗最小，輸出阻抗最小，輸出電壓最大。輸出電壓最大。0U0U此電路靈敏度很高, 但線性差, 適用于線性要求不高的場合。被測量引起電感變化，LC阻抗增大，

16、變壓器副邊輸出電壓減小。LCf21諧振式調(diào)頻電路諧振式調(diào)頻電路調(diào)頻電路的基本原理是傳感器電感L變化將引起輸出電壓頻率的變化。 一般是把傳感器電感L和電容C接入一個振蕩回路中, 其振蕩頻率 。 當L變化時, 振蕩頻率隨之變化, 根據(jù)f的大小即可測出被測量的值。圖（b）表示f與L的特性, 它具有明顯的非線性關(guān)系。 LCf211/2fLC對 f 求導3()211()()22dfLCCdL114dlLLC2fLL 調(diào)頻電路只有在 f 較大的情況下才能達到較高的精度。調(diào)相電路的基本原理是傳感器電感變化將引起輸出電壓相位變化調(diào)相電路調(diào)相電路上圖為相位電橋，一臂為傳感器L，另一臂為固定電阻R， 電感線圈與固

17、定電阻上壓降是兩個相互垂直的向量當電感L變化時，輸出電壓幅值不變，相位角 隨之變化。 與 L 的 關(guān)系為：2arctan(/)L R 為電源角頻率當L有了微小變化， 求得輸出電壓相位變化為22(/)1 (/)L RLL RL2220)()(2222LRLjRULjRLjRUUULjRRUdLd 差動變壓器輸出的是交流電壓, 只能反映銜鐵位移的大小, 而不能反映移動方向。另外, 其測量值中將包含零點殘余電壓。為了達到能辨別移動方向及消除零點殘余電壓的目的, 實際測量時, 常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。相敏檢波電路（1）分析電路的辨向過程。（2）說明電路的作用。+_xttu調(diào)幅波位移波設(shè)：位

18、移為正弦波txxmsin差動變壓器輸出為1212)(IMMjE零位上下，次級輸出相位有180o變化，因此可以通過判別相位變化來判別位移得極性。yUU0 條件：（1）二極管為理想開關(guān)；（2） ，且正位移時，同頻同相，負位移時，同頻反相。具體分析具體分析1）銜鐵在零位以上移動時，x(t)0 載波信號在上半周(0 )yUU與0同頻同相A：U1上正下負，U2上正下負；B：U01左正右負，U02左正右負。此時，二極管D1、D4截止，D2、D3導通對于D2回路有： 對于D3回路有：+-U01Rfi2RD2-+U2ffRRUUiRi20122從下向上流過+-U02Rfi3RD2-+U2ffRRUUiRi20

19、233從上向下流過通常：U1U2，U01U02因此：i2 i3if i2 i3 0，方向：電流自下向上，設(shè)為正向電壓 為正。yU 載波信號為下半周(2 )A：U1上負下正，U2上負下正；B：U01左負右正，U02左負右正。此時，二極管D1、D4導通，D2、D3截止對于D1回路有： 對于D4回路有：+-U01Rfi1RD1-+U1+-U02Rfi4RD4-+U1ffRRUUiRi10111從上向下流過ffRRUUiRi10244從下向上流過因此：i4 i1if i4 i1 0，方向：電流自下向上，為正向電壓 為正。yU 2）銜鐵在零位以下移動時，x(t) i2if i3 i2 0，方向：電流自上

20、向下，為反向電壓 為負。yU 載波信號為上半周(2 )同理可得：A：U1上正下負，U2上正下負；B：U01左負右正，U02左負右正。此時，二極管D1、D4導通，D2、D3截止對于D1回路有： 對于D4回路有：ffRRUUiRi10111從上向下流過ffRRUUiRi10244從下向上流過因此：i1 i4if i1 i4 0，方向：電流自上向下，為反向電壓 為負。yU 結(jié)論：(1) 銜鐵在零位以上移動時，不論載波信號時正半周還是負半周，負載上電壓始終為正。(2) 銜鐵在零位以下移動時，不論載波信號時正半周還是負半周，負載上電壓始終為負。（2）U0的大小反映位移的大小，的大小反映位移的大小，U0的

21、極的極性反映位移的方向。性反映位移的方向。消除零點殘余電壓使x=0時，U0=0。 差動整流電路將兩個二次線圈輸出電壓分別整流，再差動輸出。不論銜鐵位置如何，電流方向總是從a到b，c到d輸出UUaUcUabUdc零位以上時:UabUcdUo零位以下時: 零位時:結(jié)論：當銜鐵在零位以上時：電壓輸出為正當銜鐵在零位以下時：電壓輸出為負當銜鐵在零位時：電壓輸出為零UabUcdUoUabUcdUo以調(diào)幅電路為例討論自感傳感器的靈敏以調(diào)幅電路為例討論自感傳感器的靈敏度度自感傳感器的靈敏度是指傳感器結(jié)構(gòu)(測頭)和轉(zhuǎn)換電路綜合在一起的總靈敏度。傳感器結(jié)構(gòu)的靈敏度 定義為電感值相對變化與引起這一變化的銜鐵位移之

22、比，tk(/ )/tkL Lx 轉(zhuǎn)換電路的靈敏度 定義為空載輸出電壓 與電感相對變化之比，即ck0u0/(/ )ckuL L總靈敏度為：0/ztckk kux假定采用了氣隙型傳感器00/LL 則01/tk采用變壓器電橋轉(zhuǎn)換電路2022()2()uLLuRLL22(1 1/)uLQL可得222()() 2cLukRL總靈敏度為22201()() 2zLukRL 可見傳感器總靈敏度是三項的乘積，第一項可見傳感器總靈敏度是三項的乘積，第一項決定于傳感器的類型，第二項決定于轉(zhuǎn)換電決定于傳感器的類型，第二項決定于轉(zhuǎn)換電路的形式，第三項決定于供電電壓的大小。路的形式，第三項決定于供電電壓的大小。傳感器類型

23、和轉(zhuǎn)換電路不同，靈敏度表達式傳感器類型和轉(zhuǎn)換電路不同，靈敏度表達式也就不同。供電電壓也就不同。供電電壓u要求穩(wěn)定，因為它將直要求穩(wěn)定，因為它將直接形響傳感器輸出信號的穩(wěn)定。接形響傳感器輸出信號的穩(wěn)定。差動變壓器的轉(zhuǎn)換電路差動變壓器的轉(zhuǎn)換電路1.反串電路反串電路：直接把兩個次級線圈反向串接，空載輸出電壓為兩個次級線圈的電動勢之差。.022abUEE2.橋路轉(zhuǎn)換電路橋路轉(zhuǎn)換電路12RR和是橋臂電阻，RP為調(diào)零電位器，設(shè)12RR和相等，輸出電壓：.2202abbEEUE212（）RR +R.22()/2abEE優(yōu)點優(yōu)點：利用RP調(diào)零，不需另外配置調(diào)零電路 第四節(jié) 零點殘余電壓 差動變壓器在零位移時的

24、輸出電壓稱為零點殘余零點殘余電壓電壓 , 它的存在使傳感器的輸出特性不過零點，造成實際特性與理論特性不完全一致。 零殘電壓的波形及組成零殘電壓的波形及組成：由基波和高次諧波組成造成零殘電壓的原因造成零殘電壓的原因：兩電感線圈的等效參數(shù)不對稱零殘電壓零殘電壓012sin()/2zeU減小零殘電壓措施減小零殘電壓措施：1.在設(shè)計和制造上采取相應(yīng)措施：設(shè)計時應(yīng)使上、下磁路對稱；制造時應(yīng)使上、下磁性材料特性一致；匝間電容，其值較小2.電路補償：加串連電阻；加并聯(lián)電阻；加并聯(lián)電容；加反饋繞組或反饋電容零殘電壓調(diào)整方法零殘電壓調(diào)整方法補償零殘電壓的電路補償零殘電壓的電路第五節(jié) 應(yīng)用舉例 差動變壓器式傳感器

25、可以直接用于位移測量, 也可以測量與位移有關(guān)的任何機械量, 如振動、加速度、應(yīng)變、張力和厚度等。壓力傳感器壓力傳感器 差動變壓器式加速度傳感器由懸臂梁 1 和差動變壓器 2 構(gòu)成。測量時, 將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定, 而將銜鐵的A端與被測振動體相連。 當被測體帶動銜鐵以x(t)振動時, 導致差動變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。 一、一、 工作原理工作原理),(bIdFZ 線圈的阻抗變化與渦流效應(yīng)的強弱有關(guān)，即與金屬導體的電阻率，磁導率，線圈與金屬導體之間的距離，激磁電流和電流角頻率以及線圈的尺寸參數(shù)有關(guān)。 第六節(jié)第六節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 傳感器線圈和被測導體組成線圈

26、導體系統(tǒng)，工作時線圈的電感和電阻均發(fā)生變化，進而使有效阻抗發(fā)生變化。線圈阻抗的變化線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導體的電渦流效應(yīng)。完全取決于被測金屬導體的電渦流效應(yīng)。渦流存在的條件渦流存在的條件：存在交變磁場導電體處于交變磁場中 應(yīng)用：應(yīng)用：對位移、厚度、材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量。 線圈與導體之間的互感隨著兩者的靠近而增大。線圈兩端加激勵電壓，根據(jù)KVL定律，分列線圈和導體的回路方程如下。二、等效電路分析二、等效電路分析1112122221RIj L Ij M IUR Ij L Ij M I式中: 線圈激磁電流角頻率; R1、L1線圈電阻和電感; L2短路環(huán)等效電感; R2短路環(huán)等效電

27、阻。112222121222222222()()UIMMRRjLLRLRL22222221222222211)()(LLRMLjRLRMRIUZ22 12 1222222ML Ij MR IIRL由 的表達式可知線圈受金屬導體影響后的等效阻抗為1IeqeqLjR可見：有導體影響后，線圈阻抗的實數(shù)部分等效電阻增加；而虛數(shù)部分等效電感減小，這樣使線圈阻抗發(fā)生了改變，這種作用稱為反射阻抗作用。因此，電渦流傳感器的工作原理，實質(zhì)上是由于受到交變磁場作用的導體中產(chǎn)生的電渦流起到調(diào)節(jié)原來阻抗作用的結(jié)果。為了同時研究阻抗實、虛兩部分的作用,常用品質(zhì)因數(shù)來表示。根據(jù)品質(zhì)因數(shù)的定義，線圈受被測金屬體影響后的 值

28、為:Q22222221222212222122212122222222212211LMMLLL RLRLLQMRRMRRRLR RL222222122122222212211LML RLQRMR RL1Q為無渦流影響時線圈的Q值為金屬導體中產(chǎn)生渦流的圓環(huán)部分的阻抗2Z22221222221211/1ZMRRZMLLQ 被測參數(shù)變化，引起線圈阻抗Z、電感L、和線圈Q值的變化。選用不同轉(zhuǎn)換電路將Z、L、Q轉(zhuǎn)換成電量，達到測量目的。傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為 如果保持大部分參數(shù)不變, Z成為X的單值函數(shù)，由Z可知X，因此可以做成渦流式位移傳感器。 ( , , ,)Zfx 三、

29、參數(shù)計算與分析1.渦流損耗功率：渦流損耗功率：金屬導體具有電阻，有渦流流通時便會消耗一部分電磁能量。渦流引起的能量損耗，稱為渦流損耗，其大小用渦流損耗功率 表示。ePh為渦流貫穿深度；r0、ri為渦流形成范圍的外、內(nèi)半徑。 取一單元，半徑r，厚度dr，周長l2r2/edPERRE回路單元電阻（ ， l2r ，S=hdr）渦流回路感應(yīng)電動勢有效值感應(yīng)電動式 2dr dBedtdt sinmBBt因為2cosmerBt 代入上式得：此單元渦流損耗功率為Sl2/2mErB02440()16irmeeirB hPdPrr因此渦流回路處感應(yīng)電勢有效值為 由上式可知，電渦流損耗功率的大小與工作頻率，磁感應(yīng)

30、強度，電阻率和電渦流的形成范圍有關(guān)。工作頻率應(yīng)選大些，這樣雖然渦流損耗功率大，但渦流效應(yīng)強，位移測量靈敏度高。 drrhBhdrrBrREdPmme322222422/)(/2由2LrRShdr和 E 得2線圈軸上磁感應(yīng)強度線圈軸上磁感應(yīng)強度圓環(huán)形單匝載流導線在軸上產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度20122 3/22 ()xIrBxr通過截面dxdy的電流為21()INidxdyrr bN線圈匝數(shù)r1, r2, b線圈內(nèi)、外徑半徑和厚度該電流在軸上距線圈端面該電流在軸上距線圈端面x處處(即坐標即坐標原點原點)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度為所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度為:2022 3/22 ()xiydBxy2022 3/2212

31、() ()INyrr b xy整個線圈在此處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度為212022 3/2212()()rx bxxrxINdxBdBy dyrr bxyxBx特性曲線特性曲線結(jié)論：線圈外徑對軸上磁場分布范圍和磁感應(yīng)強度變化梯度的影響較大，其他兩個參數(shù)的影響較小。外徑越大，線性范圍越大，但靈敏度越低。外徑越小，靈敏度越高，線性范圍越小。須綜合選擇。3渦流分布渦流分布渦流只存在于金屬導體的表面薄層內(nèi)，在徑向也只在一個有限的范圍內(nèi)存在渦流，所以實際上存在一個渦流區(qū)。渦流密度的徑向和軸向分布由于趨膚效應(yīng), 電渦流沿金屬導體縱向的H1分布是不均勻的, 其分布按指數(shù)規(guī)律衰減, 可用下式表示： 式中: z金屬導體

32、中某一點至表面的距離; Jz沿H1軸向d處的電渦流密度; J0金屬導體表面電渦流密度, 即電渦流密度最大值; h電渦流軸向貫穿深度（趨膚深度）。z0J =J exp(z/h)/(0fhr由其貫穿深度可知，頻率越低貫穿深度越大，因此在測量金屬厚度時采用較低頻率激勵電源。 當位移發(fā)生變化時，直接檢測線圈的阻抗值的變化。通常采用電橋法測量 振蕩器產(chǎn)生的高頻振蕩電流經(jīng)過功率放大器放大后送給交流電橋，當位移發(fā)生變化時，將使線圈阻抗變化，從而破壞電橋平衡，電橋不平衡電壓信號輸出，經(jīng)過放大、檢波以后，其輸出信號就反映了被測量的變化。 電渦流傳感器的測量電路交流電橋測量電路交流電橋測量電路正反饋法正反饋法石英

33、振蕩器檢波放大ZrZsD輸出UUAZ電渦流傳感器的設(shè)計 探頭的設(shè)計 1線圈1 2框架 3線圈2 4支架 5電纜 6插頭 低頻透射式渦流厚度傳感器低頻透射式渦流厚度傳感器渦流傳感器應(yīng)用實例渦流傳感器應(yīng)用實例高頻反射式渦流厚度傳感器高頻反射式渦流厚度傳感器在帶材的上、下兩側(cè)對稱地設(shè)置了兩個特性完全相同的渦流傳感器S1、S2 。 S1、 S2與被測帶材表面之間的距離分別為x1和x2。 x1和x2由渦流傳感器測出，經(jīng)調(diào)理電路變?yōu)閷?yīng)的電壓值，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器，變?yōu)閿?shù)字量，送入單片機。單片機分別算出x1和x2值，然后由公式d=D(x1+ x2)計算出板厚。D值由鍵盤設(shè)定。板厚值送顯示器顯示。電渦流式轉(zhuǎn)速

34、傳感器電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽, 在距輸入表面d0 處設(shè)置電渦流傳感器, 輸入軸與被測旋轉(zhuǎn)軸相連。 當旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時，電渦流傳感器便周期地輸出電信號，此電壓脈沖信號經(jīng)放大、整形，用頻率計測出頻率，由公式計算出軸的轉(zhuǎn)速。min)/(60 rNfn第七節(jié) 壓磁式傳感器一、壓磁效應(yīng) 鐵磁材料在外力的作用下，引起內(nèi)部發(fā)生形變，產(chǎn)生應(yīng)力，使各磁疇之間的界限發(fā)生移動，使磁疇磁化強度矢量轉(zhuǎn)動，從而也使材料的磁化強度發(fā)生相應(yīng)的變化。這種應(yīng)力使鐵磁材料的磁性質(zhì)變化的現(xiàn)象，稱為壓磁效應(yīng)。鐵磁材料的壓磁效應(yīng)的具體內(nèi)容為：材料受到壓力時，磁導率發(fā)生變化；作用力取消后，磁導率復原；鐵磁材料的

35、壓磁效應(yīng)還與外磁場有關(guān)。結(jié)構(gòu)舉例由壓磁元件1、彈性支架2、傳力鋼球3組成二、工作原理 鐵磁材料在受外力時，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，引起磁導率變化。當鐵磁材料上繞有線圈時，將引起線圈阻抗變化。當鐵磁材料上同時繞有激勵繞組和輸出繞組時，磁導率的變化將導致繞組間耦合系數(shù)變化從而使輸出電勢變化。這樣就把作用力變換成電量輸出。壓磁式傳感器工作原理三、壓磁元件 壓磁式傳感器的核心部分是壓磁元件，它實質(zhì)上是一個力電變換元件。(一)材料 壓磁元件可采用硅鋼片、坡莫合金和一些鐵氧體。(二)沖片形狀 為了減小渦流損耗，壓磁元件的鐵芯大都采用簿片的鐵磁材料疊合而成。(三)激勵安匝數(shù)的選擇 最佳條件是外加作用力所產(chǎn)生的磁能與外

36、磁場及磁疇磁能之和接近相等，而且工作在磁化曲線(BH曲線)的線性段，這樣可以獲得較好的靈敏度和線性度。通常在額定壓力下，磁導率的變化大約是10一20。四、測量電路 壓磁式傳感器的輸出繞組輸出電壓值比較大，因此一般不需要放大，只要通過整流、濾波，即可送指示器指示。U為穩(wěn)定的交流電源，T1為供給壓磁元件B的激勵繞組的激勵電壓的降壓變壓器。T2為升壓變壓器，其作用是為了把從壓磁元件B輸出的電壓提高到可作為有效的線性整流用的高度。A部分是補償電路用來補償零點電壓。通過濾波器F1，濾去高次諧波，再經(jīng)V整流，然后用濾波器F2。消除紋波。五、壓磁式傳感器的應(yīng)用 壓磁式傳感器的優(yōu)點使它很適合在重工業(yè)、化學工業(yè)

37、等部門應(yīng)用。 用來測量軋鋼的軋制力、鋼帶的張力、紙張的張力，吊車提物的自動稱量、配料的稱量、金屬切削過程的切削力以及電梯安全保護等。第九節(jié)第九節(jié) 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器1定義 感應(yīng)同步器是利用兩個平面形繞組的互感隨相對位置不同而變化的原理, 將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換成電信號的。 它是一種測量位移的平面變壓器式位移 數(shù)字傳感器。2、結(jié)構(gòu)與工作原理（線位移感應(yīng)同步器）長感應(yīng)同步器示意圖定尺滑尺 長感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成，圓感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成，在轉(zhuǎn)子和定尺上的是連續(xù)繞組, 在轉(zhuǎn)尺和定子上的則是分段繞組，相當于變壓器的一次線圈和二次線圈。分段繞組分為兩組, 在空間相差90o相角, 故又稱為正、

38、余弦繞組。 工作時滑尺在定尺上滑動，在滑尺正、余弦繞組上通以交流激勵電壓，由于電磁耦合，在定尺繞組上就產(chǎn)生感應(yīng)電動勢， 該電動勢隨定尺與滑尺（或轉(zhuǎn)子與定子）的相對位置不同呈正弦、 余弦函數(shù)變化，再通過對此信號的檢測處理，便可測量出直線或轉(zhuǎn)角的位移量。感應(yīng)同步器的優(yōu)點 具有效高的精度 ，與分辨力 ； 抗干擾能力強； 使用壽命長，維護簡單； 可以作長距離位移測量； 工藝性好，成本較低，便于復制和成批生產(chǎn)。被廣泛地應(yīng)用于大位移靜態(tài)與動態(tài)測量中。m5 . 1m05. 02 2、工作原理、工作原理通電流的矩形線圈中的磁場分布實際中，矩形波由基波、三次諧波、五次諧波組成。這里只討論基波分量，磁感應(yīng)強度 為余弦變化，幅值與電流 成正比。 )(BtIimsin)/cos(sin)(1btIkBmbb感應(yīng)電動勢與兩線圈距離的關(guān)系感應(yīng)電動勢與兩線圈距離的